一种用于月球软着陆器的地形估计方法技术

本发明专利技术涉及一种用于月球软着陆器的地形估计方法：(1)、采用两个测距敏感器测量月球着陆器与月面的斜距；(2)、分别根据第一测距敏感器和第二测距敏感器测量得到的斜距，计算第一相对月面高度误差Δq

【技术实现步骤摘要】
一种用于月球软着陆器的地形估计方法
本专利技术涉及一种用于月球软着陆器的地形估计方法，属于航天器自主导航领域。
技术介绍
月球背面软着陆的突出困难之一就是月球背面地形崎岖，遍布陨石坑，不存在像月球正面那样平坦的月海，且陨石坑的分布更为密集。崎岖不平的地形给着陆安全带来了巨大的挑战。对于月球背面软着陆任务来说，如果不考虑地形因素，在下降到测距敏感器工作高度后，直接将测距信息引入导航系统来实时估计着陆器高度，将导致较大高度估计误差，最大可能达到千米量级。现有技术，如美国的Apollo任务和ALHAT计划，将着陆过程划分有前后衔接的主减速段和接近段。主减速段始于着陆开始，用于消除初始着陆速度。主减速段结束后经快速姿态调整，进入接近段。接近段以近直线轨迹接近目标着陆点。高度是接近段制导的输入参数，为了给制导提供一个比较精确的初值，需要在接近段入口快速获取相对实际月面的高度。现有技术采用惯导组合激光测距敏感器或微波测距测速敏感器的自主导航方案，包括通过激光或微波测距的信息融合来修正惯导高度误差。该方案面对平坦月面地形时有效，如月球正面虹湾地区，但是在面对崎岖月面地形时有两项不足：1、未根据地形因素判断测距的安全引入时机；2、未对着陆点的地形进行估计，测距引入后对着陆器的位置估计含有地形误差，影响后续GNC计算的平滑性和精度。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种用于月球软着陆器的地形估计方法，使得月球着陆器能够修正当前着陆点月心距的估计误差，提高着陆器位置估计精度，从而提高了着陆的安全性。本专利技术解决技术的方案是：一种用于月球软着陆器的地形估计方法，该方法包括如下步骤：(1)、采用两个测距敏感器测量月球着陆器与月面的斜距；所述两个测距敏感器，记为第一测距敏感器和第二测距敏感器，所述第一测距敏感器和第二测距敏感器在月球软着陆器本体坐标系中安装指向相同；所述斜距是指着陆器到测距波束与月面交点的距离；(2)、分别根据第一测距敏感器和第二测距敏感器测量得到的斜距，计算第一相对月面高度误差ΔqL和第二相对月面高度误差ΔqR；(3)、分别根据第一测距敏感器和第二测距敏感器安装指向，以及着陆器当前位置和姿态，计算得到第一测距波束月面足迹航程SmL和第二测距波束月面足迹航程SmR；所述足迹是指测距波速与月面的交点；(4)、如果第一相对月面高度误差ΔqL、第二相对月面高度误差ΔqR、第一测距波束月面足迹航程SmL和第二测距波束月面足迹航程SmR满足下述条件：其中，Sm1和Sm2分别为月球着陆器的最小安全航程和最大安全航程；Δq为激光微波测距数据比较阈值；则采用下面的公式计算月心距误差，并进入步骤(5)；式中，Δhg(k-1)为上次计算得到的月心距误差，Δhg(k)为本次计算得到的月心距误差，k为计算月心距误差次数，Δhg(0)为月心距误差的初值，取值为零；否则，变更计算月心距误差次数，回到步骤(1)，重新计算月心距误差；(5)、当着陆器将转出主减速段时，根据月心距误差修正着陆场月心距和月球着陆器高度。所述步骤(2)根据第一测距敏感器和第二测距敏感器测量得到的斜距，计算第一相对月面高度误差ΔqL和第二相对月面高度误差ΔqR的计算公式为：q＝||r||-rMΔqL＝q1L-qΔqR＝q1R-q式中，r为着陆器在惯性坐标系中位置矢量；||||为求模函数；rM为着陆场月心距；CIB为着陆器本体坐标系到惯性坐标系的转换阵；uL为第一测距敏感器在本体坐标系中安装指向；uR为第二测距敏感器在本体坐标系中安装指向。所述步骤(4)计算测距波束月面足迹航程的具体计算公式如下：a＝r-(ri)Ti式中，r0为着陆器在动力下降点在惯性系中位置矢量；v0为着陆器在动力下降点在惯性系中速度矢量；为dL第一测距敏感器测量得到的斜距；dR为第二测距敏感器测量得到的斜距。所述步骤(4)计算月心距误差之后还对月心距误差作限幅处理，使得求得的月心距误差不超过预设的最大取值。所述步骤(5)中当月球着陆器将转出主减速段时，同时对月心距误差有效计算次数进行判断，当月心距误差有效计算次数大于预设次数时，对着陆场月心距rM和高度进行修正，否则，回到步骤(1)，重新计算月心距误差。所述步骤(1)和步骤(2)之间增加对斜距测量并做剔野处理的步骤，该步骤具体实现为：获取第一测距敏感器测量得到的斜距dL对应的采样时间tL、第二测距敏感器测量得到的斜距dR对应的采样时间tR，若下面条件全满足则进行步骤(2)，否则，重新回到步骤(1)；上式中，t是当前星时；ΔtL是第一测距敏感器采样时间偏差上限；ΔtR是第二测距敏感器采样时间偏差上限；dLmin和dLmax是第一测距敏感器测量最小和最大有效值；dRmin和dRmax是第二测距敏感器测量最小和最大有效值。所述步骤(5)中着陆场月心距和月球着陆器高度修正方法如下：rM＝r'M-Δhg(k)h＝h'+Δhg(k)式中，r'M、rM分别为修正前和修正后的着陆点月心距，h'、h分别为修正前和修正后的月球着陆器高度。所述第一测距敏感器和第二测距敏感器为激光测距敏感器或者微波测距敏感器。本专利技术还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述用于月球软着陆器的地形估计方法的步骤。本专利技术还提供了一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器中可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述的计算机程序时实现上述用于月球软着陆器的地形估计方法的步骤。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：(1)、本专利技术提出的月球软着陆地形估计方法，在引入测距敏感器斜距测量时考虑地形约束，利用了地形先验知识，保证测距使用时月表平坦，从源头上保证了测量信息的有效性。(2)、本专利技术提出的月球软着陆地形估计方法，利用了测距估计地形偏差，这样不会使主减速段的着陆器位置估计垂向分量随地形波动，不会通过制导解算，将地形误差传递到姿态控制，造成主减速后期的姿态波动，飞行过程更加平稳。(3)、本专利技术提出的月球软着陆地形估计方法，在主减速段出口重置月心距，直接保证了接近段入口时具有足够的导航精度，避免进入接近段后，由于导航修正存在动态收敛过程，造成制导律输出不断调整的问题，使得接近段制导输出平稳。附图说明图1为本专利技术实施例月球软着陆地形估计方法计算流程；图2为本专利技术实施例月球软着陆地形估计方法原理图；图3为本专利技术实施例主减速段末期地形和高度估计结果。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步阐述。如图1所示，月球背面着陆区虽然总体地形崎岖，但是在距着陆点半径几十公里区域内相对平坦。当着陆器的测距波束本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于月球软着陆器的地形估计方法，其特征在于包括如下步骤：/n(1)、采用两个测距敏感器测量月球着陆器与月面的斜距；所述两个测距敏感器，记为第一测距敏感器和第二测距敏感器，所述第一测距敏感器和第二测距敏感器在月球软着陆器本体坐标系中安装指向相同；所述斜距是指着陆器到测距波束与月面交点的距离；/n(2)、分别根据第一测距敏感器和第二测距敏感器测量得到的斜距，计算第一相对月面高度误差Δq

【技术特征摘要】
1.一种用于月球软着陆器的地形估计方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)、采用两个测距敏感器测量月球着陆器与月面的斜距；所述两个测距敏感器，记为第一测距敏感器和第二测距敏感器，所述第一测距敏感器和第二测距敏感器在月球软着陆器本体坐标系中安装指向相同；所述斜距是指着陆器到测距波束与月面交点的距离；
(2)、分别根据第一测距敏感器和第二测距敏感器测量得到的斜距，计算第一相对月面高度误差ΔqL和第二相对月面高度误差ΔqR；
(3)、分别根据第一测距敏感器和第二测距敏感器安装指向，以及着陆器当前位置和姿态，计算得到第一测距波束月面足迹航程SmL和第二测距波束月面足迹航程SmR；所述足迹是指测距波速与月面的交点；
(4)、如果第一相对月面高度误差ΔqL、第二相对月面高度误差ΔqR、第一测距波束月面足迹航程SmL和第二测距波束月面足迹航程SmR满足下述条件：



其中，Sm1和Sm2分别为月球着陆器的最小安全航程和最大安全航程；Δq为激光微波测距数据比较阈值；
则采用下面的公式计算月心距误差，并进入步骤(5)；



式中，Δhg(k-1)为上次计算得到的月心距误差，Δhg(k)为本次计算得到的月心距误差，k为计算月心距误差次数，Δhg(0)为月心距误差的初值，取值为零；
否则，变更计算月心距误差次数，回到步骤(1)，重新计算月心距误差；
(5)、当着陆器将转出主减速段时，根据月心距误差修正着陆场月心距和月球着陆器高度。


2.根据权利要求1所述的一种用于月球软着陆器的地形估计方法，其特征在于所述步骤(2)根据第一测距敏感器和第二测距敏感器测量得到的斜距，计算第一相对月面高度误差ΔqL和第二相对月面高度误差ΔqR的计算公式为：
q＝||r||-rM






ΔqL＝q1L-q
ΔqR＝q1R-q
式中，r为着陆器在惯性坐标系中位置矢量；||||为求模函数；rM为着陆场月心距；CIB为着陆器本体坐标系到惯性坐标系的转换阵；uL为第一测距敏感器在本体坐标系中安装指向；uR为第二测距敏感器在本体坐标系中安装指向。


3.根据权利要求1所述的一种用于月球软着陆器的地形估计方法，其特征在于：所述步骤(4)计算测距波束月面足迹航程的具体计算公式如下：



a＝r-(ri)Ti








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【专利技术属性】
技术研发人员：关轶峰，张洪华，李骥，程铭，张晓文，于萍，杨巍，于洁，王志文，王华强，王泽国，陈尧，赵宇，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11